DE102012202517B4 - Two-phase paint coating and method for coating a substrate - Google Patents
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Abstract
Lackbeschichtung, umfassend eine hydrophobe Phase und eine hydrophile Phase an der Oberfläche der Lackbeschichtung, wobei die Lackbeschichtung aus einer Emulsion hergestellt oder herstellbar ist, wobei (i) die hydrophobe Phase oder (ii) die hydrophile Phase die äußere Phase (3) und die jeweils andere Phase die innere Phase (1) gebildet haben, und der Unterschied des Wasserrandwinkels der Materialien der beiden Phasen in der Lackbeschichtung ≥ 15° bevorzugt ≥ 20°, weiter bevorzugt ≥ 25°und besonders bevorzugt ≥ 30° beträgt, und wobei das Material der inneren Phase (1) Inseln in der Lackbeschichtung ausgebildet hat, die eine durchschnittliche Oberfläche von 200 - 2000 µm2, bevorzugt 250 - 1800 µm2 und besonders bevorzugt von 300 - 1500 µm2 besitzen, bezogen auf die Oberfläche der Lackbeschichtung. Lacquer coating, comprising a hydrophobic phase and a hydrophilic phase on the surface of the lacquer coating, wherein the lacquer coating is or can be produced from an emulsion, wherein (i) the hydrophobic phase or (ii) the hydrophilic phase, the outer phase (3) and each other phase have formed the inner phase (1), and the difference in the water edge angle of the materials of the two phases in the paint coating is ≥ 15 °, preferably ≥ 20 °, more preferably ≥ 25 ° and particularly preferably ≥ 30 °, and wherein the material is inner phase (1) has formed islands in the lacquer coating which have an average surface area of 200-2000 µm 2 , preferably 250-1800 µm 2 and particularly preferably 300-1500 µm 2 , based on the surface of the lacquer coating.
Description
Die Erfindung betrifft eine Lackbeschichtung, umfassend eine hydrophobe und eine hydrophile Phase an ihrer Oberfläche, die Verwendung dieser Lackbeschichtung zur Verringerung von Reifbildung an einer Oberfläche sowie zur Verringerung von Anhaftung von Organismen an eine Oberfläche. Sie betrifft außerdem ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer entsprechenden Lackbeschichtung.The invention relates to a lacquer coating comprising a hydrophobic and a hydrophilic phase on its surface, the use of this lacquer coating to reduce the formation of frost on a surface and to reduce the adherence of organisms to a surface. It also relates to a method for coating a substrate with a corresponding lacquer coating.
Die Herstellung von Oberflächen mit einer ausreichend definierten Verteilung hydrophiler und hydrophober Strukturierungen im mikro- und nanogradigen Bereich ist ein Problem, welches bisher noch nicht vollständig gelöst ist, obwohl es für entsprechend beschichtete Oberflächen eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten gäbe.The production of surfaces with a sufficiently defined distribution of hydrophilic and hydrophobic structures in the micro- and nanograd range is a problem which has not yet been completely solved, although there are a multitude of possible uses for correspondingly coated surfaces.
So könnte zum Beispiel die Bildung von Eis auf Oberflächen verhindert bzw. verringert werden. Dieses ist insbesondere im Transportwesen so zum Beispiel für Flugzeuge, Autos, Schienenfahrzeuge aber auch für Kühlgeräte, Windenergieanlagen und Überlandleitungen, Brücken und Antennen interessant. Ebenso könnte die Anhaftung von Mikroorganismen, die Oberflächen angreifen, verringert werden. Dies ist insbesondere interessant für Oberflächen, die regelmäßig oder dauerhaft mit Wasser in Berührung kommen. Durch das Verhindern des Anhaftens von Organismen und insbesondere von Mikroorganismen wird dabei der Abbau der Oberflächen, wie z.B. Schiffsfarben, verringert. Man spricht auch von Anti-Foulingschichten oder einer Verbesserung des Foulingverhaltens.For example, the formation of ice on surfaces could be prevented or reduced. This is particularly interesting in transportation, for example for airplanes, cars, rail vehicles, but also for cooling devices, wind turbines and overhead lines, bridges and antennas. The adherence of microorganisms that attack surfaces could also be reduced. This is particularly interesting for surfaces that regularly or permanently come into contact with water. By preventing organisms and especially microorganisms from sticking, the degradation of the surfaces, e.g. Ship colors, reduced. One also speaks of anti-fouling layers or an improvement in fouling behavior.
Zur Zeit werden vielfältige Methoden eingesetzt, um entsprechend strukturierte Oberflächen zu erzeugen:A variety of methods are currently used to create appropriately structured surfaces:
LASERSTRUKTURIERUNGLASER STRUCTURE
Bei der Laserstrukturierung werden Oberflächen nachträglich mit einem Laserstrahl behandelt, um definiert Teile der Oberfläche zu entfernen. Durch die hochenergetische Strahlung zersetzen sich zum Beispiel organische Bestandteile einer Beschichtung, wodurch vormals mit hydrophoben Polymeren belegte Flächen hydrophile Eigenschaften bekommen. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, dass nur Spotgrößen im Mikrometerbereich erzeugt werden können. Kleinere Strukturgrößen sind derzeit nicht möglich. Zudem können mittels Lasertechnik nur kleine Flächen (im Quadratzentimeterbereich) wirtschaftlich sinnvoll strukturiert werden, da ein hoher apparativer Aufwand notwendig ist.In laser structuring, surfaces are subsequently treated with a laser beam in order to remove defined parts of the surface. The high-energy radiation decomposes, for example, organic components of a coating, as a result of which surfaces previously covered with hydrophobic polymers acquire hydrophilic properties. However, this method has the disadvantage that only spot sizes in the micrometer range can be generated. Smaller structure sizes are currently not possible. In addition, only small areas (in the square centimeter range) can be structured in an economically sensible manner using laser technology, since a high level of equipment is required.
STRUKTURIERUNG MITTELS NANOPARTIKELSTRUCTURING WITH NANOPARTICLES
Der Einsatz von hydrophilen Nanopartikeln in hydrophoben Beschichtungsstoffen, kann ebenfalls zu hydrophil/hydrophob-strukturierten Oberflächen führen. So können entsprechende hydrophile Nanopartikel in andere Lackbestandteile eingeführt werden und sollen nach Härtung der Beschichtung auf einer Oberfläche hydrophile Bereiche ausbilden. Nachteil dieser Strukturierungsmethode ist die sehr undefinierte Ausbildung der hydrophilen Bereiche. Zudem werden die Nanopartikel teilweise oder vollständig von Bindemittel umgeben, so dass sich auch wenn sie oberflächennah liegen, ihre hydrophilen Eigenschaften faktisch nicht auswirken. Zudem lassen sich schwer definierte Strukturen ausbilden.The use of hydrophilic nanoparticles in hydrophobic coating materials can also lead to hydrophilic / hydrophobic structured surfaces. Corresponding hydrophilic nanoparticles can be introduced into other paint components and should form hydrophilic areas on a surface after the coating has hardened. The disadvantage of this structuring method is the very undefined formation of the hydrophilic areas. In addition, the nanoparticles are partially or completely surrounded by binders, so that even if they are close to the surface, their hydrophilic properties do not actually have any effect. Difficult structures can also be formed.
FOTOLITHOGRAPHIEPHOTOLITHOGRAPHY
Die Fotolithographie ist ein lithographisches Reproduktionsverfahren, bei dem mittels Belichtung Muster auf Materialien aufgebracht werden. In der Halbleitertechnologie und anderen verwandten Bereichen, wie z.B. der Mikrosystemtechnik, wird Fotolithographie zur Strukturierung von Maskierungen genutzt. Dabei werden Strukturinformationen von einer sogenannten Fotomaske auf einen Fotolack übertragen. Der Fotolack selbst wird zuvor durch Rotationsbeschichtung oder andere geeignete Methoden auf ein Substrat aufgebracht. Nach Belichtung und Entwicklung des latenten Bildes kann die Strukturinformation auf eine darunter liegende Schicht übertragen werden. Der Fotolack wird danach wieder entfernt. Dieses sehr aufwendige Strukturierungsverfahren eignet sich nicht für die Herstellung großflächiger Beschichtungen, da erstens die Technik für einen solchen Einsatz wirtschaftlich nicht sinnvoll nutzbar ist und zweitens sind haltbare Schichten, welche bei extremen Bedingungen, wie z.B. bei Eisbildung oder unter Meerwassereinfluss beständig sind, mit diesem Verfahren nicht erzeugbar.Photolithography is a lithographic reproduction process in which patterns are applied to materials by means of exposure. In semiconductor technology and other related areas such as microsystem technology, photolithography is used to structure masking. Structural information is transferred from a so-called photo mask to a photoresist. The photoresist itself is previously applied to a substrate by spin coating or other suitable methods. After exposure and development of the latent image, the structure information can be transferred to an underlying layer. The photoresist is then removed again. This very complex structuring process is not suitable for the production of large-area coatings, because, firstly, the technology cannot be used economically for such an application, and secondly, there are durable layers that can be used under extreme conditions, e.g. are resistant to ice formation or under the influence of sea water, cannot be produced with this process.
In
Vor diesem Hintergrund war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit üblichen Methoden auftragbare Beschichtung anzugeben, die wirtschaftlich sinnvoll auch großflächig aufgetragen werden kann und in der das Verhältnis von hydrophoben und hydrophilen Bereichen gut steuerbar ist. Bevorzugt sollte diese Beschichtung für eine Vielzahl von Materialien (Substraten) das sogenannte Foulingverhalten verbessem, also den Abbau durch Organismen verringern und/oder zur Verringerung von Reifbildung an Oberflächen beitragen.Against this background, it was an object of the present invention to provide a coating which can be applied using customary methods and which can also be applied economically in a large area and in which the ratio of hydrophobic and hydrophilic areas can be controlled well. This coating should preferably improve the so-called fouling behavior for a large number of materials (substrates), that is to say reduce the degradation by organisms and / or contribute to reducing the formation of frost on surfaces.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Lackbeschichtung, umfassend eine hydrophobe Phase und eine hydrophile Phase an der Oberfläche der Lackbeschichtung, wobei die Lackbeschichtung aus einer Emulsion hergestellt oder herstellbar ist, wobei (i) die hydrophobe Phase oder (ii) die hydrophile Phase die äußere Phase und die jeweils andere Phase die innere Phase gebildet haben, und der Unterschied des Wasserrandwinkels der Materialien der beiden Phasen in der Lackbeschichtung ≥ 15 °bevorzugt ≥ 20 °, weiter bevorzugt ≥ 25 °und besonders bevorzugt ≥ 30 ° beträgt, und wobei das Material der inneren Phase (1) Inseln in der Lackbeschichtung ausgebildet hat, die eine durchschnittliche Oberfläche von 200 - 2000 µm2, bevorzugt 250 - 1800 µm2 und besonders bevorzugt von 300 - 1500 µm2 besitzen, bezogen auf die Oberfläche der Lackbeschichtung.This object is achieved by a lacquer coating comprising a hydrophobic phase and a hydrophilic phase on the surface of the lacquer coating, the lacquer coating being or being able to be produced from an emulsion, with (i) the hydrophobic phase or (ii) the hydrophilic phase the outer phase and the other phase has formed the inner phase, and the difference in the water edge angle of the materials of the two phases in the paint coating is ≥ 15 °, preferably ≥ 20 °, more preferably ≥ 25 ° and particularly preferably ≥ 30 °, and wherein the material of the inner phase (1) has formed islands in the lacquer coating which have an average surface area of 200-2000 µm 2 , preferably 250-1800 µm 2 and particularly preferably 300-1500 µm 2 , based on the surface of the lacquer coating.
Im Sinne des vorliegenden Textes ist eine Lackbeschichtung ein flächig auf ein Substrat aufgetragener Lack. Bevorzugt ist dieser Lack ausgehärtet. Bevorzugt ist „Lack“ im Sinne dieser Erfindung eine Mischung von Verbindungen, wie in der
Die erfindungsgemäße Lackbeschichtung umfasst eine hydrophobe Phase und eine hydrophile Phase. Erfindungsgemäß unterscheiden sich diese beiden Phasen durch einen Unterschied im Wasserrandwinkel. Dabei ist der Begriff „hydrophob“ und „hydrophil“ in erster Näherung als relativer Begriff im Sinne dieses Textes zu verstehen: Die hydrophobe Phase ist innerhalb der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung ist diejenige Phase, die einen größeren Wasserrandwinkel als die andere, somit hydrophile Phase, besitzt. Bevorzugt ist jedoch, dass die hydrophobe Phase einen Wasserrandwinkel von >90° und die hydrophile Phase einen Wasserrandwinkel von <90° besitzt. Die Wasserrandwinkel für die einzelnen Phasen werden dabei im Zweifelsfall für das jeweilige Material gesondert bestimmt. Die bevorzugte Bestimmungsmethode ist im Beispiel 1 angegeben. Die gesonderte Bestimmung erfolgt deshalb, weil unter den Bedingungen der vorliegenden erfindungsgemäßen Lackbeschichtung die Flächen der einzelnen Phasen verhältnismäßig klein sind, so dass eine Bestimmung in situ oftmals erschwert ist. Daher ist im Sinne dieser Anmeldung im Zweifelsfall der Wasserrandwinkel der Reinmaterialien der jeweiligen Phase zu bestimmen.The paint coating according to the invention comprises a hydrophobic phase and a hydrophilic phase. According to the invention, these two phases differ by a difference in the water edge angle. The terms “hydrophobic” and “hydrophilic” are to be understood in a first approximation as a relative term in the sense of this text: the hydrophobic phase within the lacquer coating according to the invention is that phase which has a larger water contact angle than the other, thus hydrophilic phase. However, it is preferred that the hydrophobic phase has a water contact angle of> 90 ° and the hydrophilic phase has a water contact angle of <90 °. In case of doubt, the water contact angles for the individual phases are determined separately for the respective material. The preferred method of determination is given in Example 1. The separate determination is made because the areas of the individual phases are relatively small under the conditions of the present lacquer coating according to the invention, so that a determination in situ is often difficult. Therefore, in the sense of this application, the water edge angle of the pure materials of the respective phase must be determined in case of doubt.
Erfindungsgemäß ist die Lackbeschichtung aus einer Emulsion hergestellt oder herstellbar. Das bedeutet, dass zwei nicht miteinander mischbare Materialien oder Materialzusammensetzungen in Emulsion gebracht werden. Eine Emulsion setzt sich aus einer äußeren Phase, die auch kontinuierliche Phase genannt wird, und einer inneren Phase, die auch disperse Phase genannt wird, zusammen. Die innere Phase bildet dabei Tröpfchen, die in der äußeren Phase schwimmen.According to the invention, the lacquer coating is made or can be produced from an emulsion. This means that two immiscible materials or material compositions are brought into emulsion. An emulsion consists of an outer phase, which is also called a continuous phase, and an inner phase, which is also called a disperse phase. The inner phase forms droplets that float in the outer phase.
Bei der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung handelt es sich dabei um eine quasi „eingefrorene“ Emulsion. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass sowohl die hydrophobe Phase als auch die hydrophile Phase die äußere Phase oder die innere Phase bilden. Der Ansatz, eine Lackbeschichtung im Sinne einer „eingefrorenen Emulsion“ vorzusehen, ist somit grundsätzlich unabhängig davon, ob die hydrophobe Phase die innere Phase ist oder die äußere.The lacquer coating according to the invention is a quasi “frozen” emulsion. It is possible according to the invention that both the hydrophobic phase and the hydrophilic phase form the outer phase or the inner phase. The approach of providing a lacquer coating in the sense of a "frozen emulsion" is therefore basically independent of whether the hydrophobic phase is the inner phase or the outer phase.
Es hat sich bei der Erfindung überraschenderweise herausgestellt, dass es möglich ist, Lackemulsionen so auszuhärten, dass die ursprüngliche Emulsionsverteilung insbesondere auch an der Oberfläche des Lacks vorhanden bleibt. Unter der Oberfläche im Sinne dieser Erfindung ist hierbei bevorzugt die dem Substrat abgewandte Seite der Lackbeschichtung zu verstehen.It has surprisingly been found in the invention that it is possible to harden paint emulsions in such a way that the original emulsion distribution, in particular also on the surface of the Lacquer remains present. For the purposes of this invention, the surface is preferably to be understood as the side of the lacquer coating facing away from the substrate.
Dabei ist es überraschenderweise technisch verhältnismäßig einfach möglich, die Topographien der Oberfläche der Lackbeschichtung zu steuern. Unter der Topographie ist hier insbesondere die Oberflächenverteilung zwischen hydrophiler und hydrophober Phase (im eigentlichen Sinne zwischen innerer und äußerer Phase der Emulsionsbeschichtung, wobei diese Begriffe auch für die ausgehärtete Version gelten sollen) zu verstehen, aber auch Erhebungen, die durch die innere Phase die Oberfläche in dreidimensionaler Weise strukturieren.Surprisingly, it is technically relatively easy to control the topographies of the surface of the lacquer coating. The topography is to be understood here in particular as the surface distribution between the hydrophilic and hydrophobic phase (in the actual sense between the inner and outer phase of the emulsion coating, whereby these terms should also apply to the cured version), but also surveys that result from the inner phase of the surface structure in three dimensions.
Bevorzugt erhebt sich die innere Phase gegenüber dem Durchschnittsniveau der äußeren Phase an der Oberfläche um ≥ 10 nm, bevorzugt ≥ 20 nm, weiter bevorzugt ≥ 25 nm. Gemeint ist mit der Erhebung das durchschnittliche Niveau des höchsten Peaks der einzelnen, durch die inneren Phasen gebildeten Inseln an der Oberfläche der nennungsgemäßen Lackbeschichtung.The inner phase preferably rises above the average level of the outer phase on the surface by 10 10 nm, preferably 20 20 nm, more preferably 25 25 nm. What is meant by the elevation is the average level of the highest peak of the individual phases formed by the inner phases Islands on the surface of the paint coating mentioned.
Es hat sich gezeigt, dass Lackbeschichtungen mit entsprechenden hydrophoben und hydrophilen Phasen an der Oberfläche sehr gut die Anhaftung von Eis und/oder Mikroorganismen an den entsprechenden Substratoberflächen verringern können. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, kann dies darauf zurückgeführt werden, dass durch die unterschiedlichen Bereiche hinsichtlich der Hydrophobizität/Hydrophilie ein einheitliches Anhaften der entsprechenden Mikroorganismen/Eiskristall(-flächen) deutlich erschwert wird. Zusätzlich kann eine Topographieausbildung, die durch die Erhebung der inneren Phase gegenüber dem Niveau der äußeren Phase bereitgestellt werden kann, diesen Effekt verstärken.It has been shown that paint coatings with corresponding hydrophobic and hydrophilic phases on the surface can very well reduce the adherence of ice and / or microorganisms to the corresponding substrate surfaces. Without being bound by any theory, this can be attributed to the fact that the different areas with regard to hydrophobicity / hydrophilicity make it significantly more difficult for the corresponding microorganisms / ice crystal (surfaces) to adhere uniformly. In addition, topography training that can be provided by elevating the inner phase against the level of the outer phase can enhance this effect.
Dabei hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Lackbeschichtung den gewünschten Erfordernissen hervorragend und unkompliziert angepasst werden kann. Der Fachmann hat hierzu insbesondere folgende Steuerungsmöglichkeiten:
- - Materialauswahl: Durch eine geeignete Materialauswahl für die jeweiligen äußeren und inneren Phasen ist es ihm möglich, das System an den gewünschten Zweck anzupassen.
- - Durch die Dispergierungsqualität und/oder -geschwindigkeit kann der Fachmann vor, beim oder nach dem Auftrag auf das zu beschichtende Substrat eine Steuerungsgröße vorsehen, mittels derer die spätere „Inselgröße“ der durch die innere Phase gebildeten Inseln beeinflusst wird. Eine hohe Dispergierung führt dabei tendenziell zu kleineren Inseln, da so die Tröpfchen in Emulsion kleiner sind.
- - Aushärtgeschwindigkeit: Über die Aushärtgeschwindigkeit ist der Fachmann ebenfalls in der Lage, das System zu steuern. Bei einer schnellen Aushärtung wird die Emulsion verhältnismäßig homogen eingefroren, so dass die dann eingestellten Tröpfchengrößen gut erhalten bleiben. Zur Beeinflussung der Härtungsgeschwindigkeit stehen dem Fachmann eine Vielzahl von Materialien zur Verfügung. In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, dass wenigstens die äußere Phase der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung härtbar oder gehärtet ist mittels UV-Licht. Hier stehen besonders viele und gut aufeinander abgestimmte Materialien zur Verfügung, die zur Beeinflussung der Aushärtgeschwindigkeit verwendet werden können. Grundsätzlich kann aber auch mittels Licht der Wellenlänge im sichtbaren Bereich oder per Elektronenstrahlen ausgehärtet werden.
- - Temperatur: Durch die Steuerung der Temperatur während des Aushärtens ist der Fachmannn in der Lage, die Aushärtgeschwindigkeit zu beeinflussen. Dabei können hohe Temperaturen tendenziell ein schnelleres Aushärten gewährleisten und führen tendenziell zu größeren Inseln (flächenmäßig).
- - Durch geeignete Auswahl der Standzeit, die zwischen Dispergieren und dem Beginn des Aushärtens gewählt wird, kann der Fachmann die Größe der „Inseln“ der inneren Phase beeinflussen. So wird eine längere Standzeit zu tendenziell größeren Bereichen der inneren Phase führen, während eine kurze Standzeit viele kleine Inseln der inneren Phase an der Oberfläche der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung gewährleisten wird.
- - Menge der eingesetzten Emulsionsbestandteile: Auch über die Menge der eingesetzten Emulsionsbestandteile ist der Fachmann in der Lage, die Eigenschaften seines Systems zu steuern. Falls beispielsweise das Anhaften hauptsächlich hydrophiler Materialien verhindert bzw. verringert werden soll, wird er einen höheren Anteil an hydrophober Phase vorsehen, gegebenenfalls sogar die hydrophobe Phase als äußere Phase vorsehen.
- - Material selection: By selecting a suitable material for the respective outer and inner phases, it is possible for him to adapt the system to the desired purpose.
- Due to the dispersion quality and / or speed, the person skilled in the art can provide a control variable before, during or after the application to the substrate to be coated, by means of which the subsequent “island size” of the islands formed by the inner phase is influenced. A high dispersion tends to lead to smaller islands, because the droplets in the emulsion are smaller.
- - Curing speed: The person skilled in the art is also able to control the system via the curing speed. In the case of rapid curing, the emulsion is frozen relatively homogeneously, so that the droplet sizes that are then set are retained well. A large number of materials are available to the person skilled in the art to influence the curing rate. In this context, it is particularly preferred that at least the outer phase of the lacquer coating according to the invention is curable or hardened by means of UV light. A particularly large number of well-coordinated materials are available here that can be used to influence the curing speed. Basically, however, it can also be cured by means of light of the wavelength in the visible range or by means of electron beams.
- - Temperature: By controlling the temperature during curing, the skilled person is able to influence the curing speed. High temperatures tend to ensure faster curing and tend to lead to larger islands (in terms of area).
- - By appropriately selecting the service life, which is chosen between dispersing and the start of curing, the person skilled in the art can influence the size of the “islands” of the inner phase. A longer service life will tend to result in larger areas of the inner phase, while a short service life will ensure many small islands of the inner phase on the surface of the paint coating according to the invention.
- - Amount of emulsion components used: The person skilled in the art is also able to control the properties of his system via the amount of emulsion components used. If, for example, the adherence of mainly hydrophilic materials is to be prevented or reduced, he will provide a higher proportion of the hydrophobic phase, possibly even provide the hydrophobic phase as the outer phase.
Als Vorteil der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung ist somit zu sehen, dass es möglich ist, strukturierte Oberflächen sehr definiert herzustellen. Grundsätzlich ist jede Verteilung und Inselgröße einstellbar. Dadurch sind die erfindungsgemäßen Lackbeschichtungen für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Darüber hinaus sind sie mit relativ einfachen Methoden und sowohl apparativ als auch vom Materialaufwand kostengünstig herstellbar.An advantage of the lacquer coating according to the invention can thus be seen that it is possible to produce structured surfaces in a very defined manner. In principle, every distribution and island size can be set. As a result, the paint coatings according to the invention can be used for a large number of applications. In addition, they can be produced inexpensively using relatively simple methods and in terms of both equipment and materials.
Die innere und äußere Phase voneinander zu unterscheiden ist technisch verhältnismäßig einfach möglich, da aufgrund der Ausgangsemulsion scharfe Materialgrenzen zwischen innerer und äußerer Phase vorliegen. Bevorzugtes Verfahren zur Unterscheidung der Phasen voneinander sind licht-mikroskopische Ansätze, wobei im Zweifelsfall und somit ganz bevorzugt XPS (EDX)-Analysen einzusetzen sind, durch die deutlich die Phasengrenzen erkennbar sind. Somit ist mit einer flächigen EDX-Analyse die Topographie (Stoffverteilung) sicher feststellbar.It is technically relatively easy to distinguish the inner and outer phases from one another, since there are sharp material boundaries between the inner and outer phases due to the starting emulsion. Preferred methods for distinguishing the phases from one another are light-microscopic approaches, whereby in case of doubt and thus very preferably XPS (EDX) analyzes are to be used, by means of which the phase boundaries can be clearly recognized. The topography (material distribution) can thus be reliably determined with a flat EDX analysis.
Gleichzeitig ergibt insbesondere die bevorzugte EDX-Analyse auch Hinweise über stoffliche Zusammensetzungen der einzelnen Phasen.At the same time, the preferred EDX analysis in particular also provides information about the material compositions of the individual phases.
Erfindungsgemäß ist eine erfindungsgemäße Lackbeschichtung, wobei das Material der inneren Phase Inseln in der Lackbeschichtung ausgebildet hat, die eine durchschnittliche Oberfläche von 200 - 2000 µm2, bevorzugt 250 - 1800 µm2 und besonders bevorzugt von 300 - 1500 µm2 besitzen, bezogen auf die Oberfläche der Lackbeschichtung.According to the invention, a paint coating according to the invention, the material of the inner phase having formed islands in the paint coating which have an average surface area of 200-2000 µm 2 , preferably 250-1800 µm 2 and particularly preferably 300-1500 µm 2 , based on the Surface of the paint coating.
Im Sinne dieser Anmeldung ist die jeweils zu betrachtende Oberfläche jeweils die Fläche, die bei einer Perspektive senkrecht zu beschichteten Oberfläche zu sehen ist. Somit sind „Flächenzugewinne“, die aufgrund vor dreidimensionalen Strukturierungen entstehen, nicht mit zu berücksichtigen. Dies ist mit der Formulierung „bezogen auf die Oberfläche der Lackbeschichtung“ im Sinne dieses Textes gemeint.For the purposes of this application, the surface to be considered is in each case the surface which can be seen from a perspective perpendicular to the surface coated. Thus, "gains in area" that arise due to three-dimensional structuring are not taken into account. This is what is meant by the phrase "based on the surface of the paint coating" in the sense of this text.
Für die Flächenbestimmungen sind jeweils die durchschnittlichen Inselgrößen zugrunde zu legen. Im Zweifelsfall wird die durchschnittliche Inselgröße auf einer Fläche von 10x10 cm bestimmt.The average island sizes are to be used for the area determinations. In case of doubt, the average island size is determined on an area of 10x10 cm.
Es hat sich herausgestellt, dass Inseln in den erfindungsgemäßen Größen besonders gute Effekte bei der Verringerung der Anhaftung einer Vielzahl von Materialen, insbesondere aber bei Mikroorganismen und Eiskristallen zeigen.It has been found that islands in the sizes according to the invention have particularly good effects in reducing the adhesion of a large number of materials, but in particular in the case of microorganisms and ice crystals.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist für viele Anwendungsfälle, dass in der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung die hydrophobe Phase die äußere Phase ist.It is preferred according to the invention for many applications that the hydrophobic phase is the outer phase in the coating according to the invention.
Bevorzugte Materialien für die hydrophobe Phase sind Silikone, Silikonmischpolymerisate und fluormodifizierte organische Polymere.Preferred materials for the hydrophobic phase are silicones, silicone copolymers and fluorine-modified organic polymers.
Für eine Reihe von Anwendungszwecken ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die hydrophile Phase die äußere Phase ist.For a number of applications, it is preferred according to the invention that the hydrophilic phase is the outer phase.
Bevorzugte Materialien für die hydrophile Phase sind Polyurethane, Acrylate, Polyester, Polyether, Epoxidharze, Formaldehydkondensationsharze und Aldehydharze.Preferred materials for the hydrophilic phase are polyurethanes, acrylates, polyesters, polyethers, epoxy resins, formaldehyde condensation resins and aldehyde resins.
Als besonders wirksam hat sich eine erfindungsgemäße Lackbeschichtung herausgestellt, wobei die hydrophile Phase einen Wasserrandwinkel von ≤ 80° hat und/oder die hydrophobe Phase einen Wasserrandwinkel von ≥ 100° hat.A coating according to the invention has proven to be particularly effective, the hydrophilic phase having a water contact angle of 80 80 ° and / or the hydrophobic phase having a water contact angle of 100 100 °.
Durch die Einstellung der entsprechenden Hydrophilie/Hydrophobie lassen sich die erfindungsgemäßen Effekte besonders gut nutzen.The effects according to the invention can be used particularly well by setting the corresponding hydrophilicity / hydrophobicity.
Bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Lackbeschichtung, wobei wenigstens die äußere Phase unter Einsatz eines Photovernetzers und/oder eines Vernetzungsinitiators ausgehärtet wurde.A lacquer coating according to the invention is preferred, at least the outer phase having been cured using a photocrosslinker and / or a crosslinking initiator.
Durch die Auswahl des entsprechenden Fotovernetzers und/oder des Vernetzungsinitiators ist es besonders gut möglich, die Vernetzungsgeschwindigkeit und das Vemetzungsverhalten beim Aushärten wenigstens der äußeren Phase zu steuern. Es ist aber erfindungsgemäß besonders bevorzugt, auch eine entsprechende Steuerung für die innere Phase vorzusehen.By selecting the appropriate photo crosslinker and / or the crosslinking initiator, it is particularly well possible to control the crosslinking speed and the crosslinking behavior when at least the outer phase cures. However, it is particularly preferred according to the invention to also provide a corresponding control for the inner phase.
Erfindungsgemäß bevorzugt ist eine erfindungsgemäße Lackbeschichtung, wobei das Flächenverhältnis bezogen auf die Oberfläche der Lackbeschichtung der äußeren zur inneren Phase 90 : 10 bis 40 :60, bevorzugt 80 : 20 bis 50: 50, weiter bevorzugt 75 : 25 bis 60 : 40 beträgt. A paint coating according to the invention is preferred, the area ratio based on the surface of the paint coating of the outer to the inner phase being 90:10 to 40:60, preferably 80:20 to 50:50, more preferably 75:25 to 60:40.
Durch diese Phasenverhältnisse lassen sich die erfindungsgemäßen Effekte besonders gut ausnutzen.The effects according to the invention can be exploited particularly well by means of these phase relationships.
Reziprok zum Wasserrandwinkel verhält sich der Wert der Oberflächenspannung. Somit ist es erfindungsgemäß bevorzugt, auch die Oberflächenspannungen insbesondere durch die Materialwahl für die einzelnen Phasen zu kontrollieren. Daher ist es erfindungsgemäß bevorzugt, eine erfindungsgemäße Lackbeschichtung einzusetzen, wobei die Oberflächenspannungen der äußeren und der inneren Phase eine Differenz von ≥ 15 mN/m, bevorzugt ≥ 17,5 mN/m und weiter bevorzugt ≥ 20 mN/m besitzen.The value of the surface tension is reciprocal to the water edge angle. It is therefore preferred according to the invention to also control the surface tensions, in particular through the choice of material for the individual phases. It is therefore preferred according to the invention to use a lacquer coating according to the invention, the surface tensions of the outer and inner phases having a difference of ≥ 15 mN / m, preferably 17 17.5 mN / m and more preferably 20 20 mN / m.
Die Oberflächenspannung wird dabei bevorzugt nach dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren gemessen.The surface tension is preferably measured using the method described in Example 2.
Weiter ist es bevorzugt, dass in der erfindungsgemäßen Lackbeschichtung die Oberflächenspannung der hydrophoben Phase ≤ 20 mN/m ist.It is further preferred that the surface tension of the hydrophobic phase is
Bei diesen Oberflächenspannungsbereichen in den hydrophoben Phasen lassen sich die erfindungsgemäßen Effekte der Anhaftungsverringerung für viele Stoffe besonders gut nutzen.With these surface tension ranges in the hydrophobic phases, the effects of the reduction in adhesion according to the invention can be used particularly well for many substances.
Entsprechend dem oben Gesagten ist Teil der Erfindung auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lackbeschichtung zur Verringerung der Reifbildung an einer Oberfläche.According to the above, part of the invention is also the use of a lacquer coating according to the invention to reduce the formation of frost on a surface.
Ebenso ist Bestandteil der Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Lackbeschichtung zur Verringerung der Anhaftung von Organismen, insbesondere Mikroorganismen an einer Oberfläche.Also part of the invention is the use of a lacquer coating according to the invention to reduce the adherence of organisms, in particular microorganisms, to a surface.
Teil der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit einer erfindungsgemäßen Lackbeschichtung, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen von flüssigem Lackmaterial für eine äußere Phase einer Emulsion,
- b) Bereitstellen von flüssigem Lackmaterial für eine innere Phase einer Emulsion,
- c) Emulgieren der in Schritt a) und b) bereitgestellten Materialien,
- d) Auftragen der Materialien auf wenigstens Teile der Oberfläche des Substrates und
- e) Aushärten wenigstens der äußeren Phase.
- a) providing liquid coating material for an outer phase of an emulsion,
- b) providing liquid paint material for an inner phase of an emulsion,
- c) emulsifying the materials provided in step a) and b),
- d) applying the materials to at least parts of the surface of the substrate and
- e) curing at least the outer phase.
Mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich die erfindungsgemäßen Lackbeschichtungen effektiv herstellen.The lacquer coatings according to the invention can be produced effectively by means of this method according to the invention.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei das Aushärten unter Einfluss von Licht, bevorzugt UV-Licht, erfolgt. Wie bereits oben angedeutet, ist die Lichtinsbesondere UV-Lichthärtung besonders gut steuerbar.A method according to the invention is particularly preferred, the curing taking place under the influence of light, preferably UV light. As already indicated above, the light, in particular UV light curing, is particularly easy to control.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert.
-
1 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Lackbeschichtung dar. Dabei bedeuten dieBezugszeichen 1 innere Phase, 3 äußere Phase. -
2 stellt die Ergebnisse des Bewuchsschutztests (Beispiel 4) dar.
-
1 schematically represents a paint coating according to the invention. The reference numerals mean 1 inner phase, 3 outer phase. -
2nd represents the results of the fouling protection test (example 4).
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
Bestimmung des WasserrandwinkelsDetermination of the water edge angle
Der Kontaktwinkel oder Wasserrandwinkel wird mittels Kontaktwinkelmessgerät Contac angel messuring G2 Firma Krüss bestimmt. Dabei wird ein Wassertropfen auf die Oberfläche der Probe gesetzt und mittels einer Kamera beobachtet und aufgezeichnet. Über eine geeignete Software kann dadurch im Tangenten-Verfahren der Randwinkel bestimmt werden.The contact angle or water edge angle is determined using the Contac angel messuring G2 contact angle measuring device from Krüss. A drop of water is placed on the surface of the sample and observed and recorded using a camera. Appropriate software can be used to determine the contact angle using the tangent method.
Beispiel 2 Example 2
Bestimmung der OberflächenspannungDetermination of the surface tension
Der Randwinkel wird wie bei der Wasserrandwinkelbestimmung von zwei weiteren Prüfflüssigkeiten bestimmt, bevorzugt Diiodmethan und Ethylenglykol. Anschließen kann durch den Zisman Plot die Oberflächenspannung bestimmt werden. (Weitere Informationen siehe auch http://www.kruss.de/de/theorie/messungen/kontaktwinkel/messung-des-kontaktwinkels.html).The contact angle is determined by two further test liquids, as in the water contact angle determination, preferably diiodomethane and ethylene glycol. The Zisman Plot can then be used to determine the surface tension. (For further information, see also http://www.kruss.de/de/theorie/lösungen/kontaktwinkel/vergleich-des-kontaktwinkels.html).
Beispiel 3Example 3
Beschichtung mit Anti-Ice EffektCoating with anti-ice effect
ChemikalienChemicals
- Ebecryl 1290 Urethanacrylat (Rahn Chemie)Ebecryl 1290 urethane acrylate (Rahn Chemie)
- Albiflex 544 (Nanoresins)Albiflex 544 (Nanoresins)
- Irgacure 754 (BASF Ciba)Irgacure 754 (BASF Ciba)
- Irgacure 819 (BASF Ciba)Irgacure 819 (BASF Ciba)
- HDDA (1,6-Hexanediol diacrylate) (Sigma Aldrich)HDDA (1,6-hexanediol diacrylate) (Sigma Aldrich)
(Herstellerangaben jeweils in Klammern)(Manufacturer information in brackets)
RezeptierungFormulation
Tabelle 1
Initiatorlösung:Initiator solution:
Tabelle 2
VersuchsdurchführungTest execution
Ebecryl 1290 und Albiflex 544 werden nacheinander vorgelegt anschließend erfolgt die Zugabe der Initiatoren, die vorher in HDDA gelöst wurden. Um eine Homogenisierung der Beschichtungslösung zu erreichen, wurde diese in den Speedmixer (Firma Hauschild engineering, Modell DAC 800 FVZ) gegeben (Programm 16, 4 Minuten). Nach Ablauf der Zeit wurde die Lösung mittels Kastenrakel (30µm) auf ein metallisches Substrat appliziert und sofort durch UV-Einstrahlung gehärtet (2 Minuten im UV-Cube).Ebecryl 1290 and Albiflex 544 are introduced one after the other, followed by the addition of the initiators, which were previously dissolved in HDDA. In order to achieve a homogenization of the coating solution, this was placed in the speed mixer (Hauschild engineering, model DAC 800 FVZ) (program 16, 4 minutes). After the time had elapsed, the solution was applied to a metallic substrate using a doctor blade (30 µm) and immediately cured by UV radiation (2 minutes in a UV cube).
Reiftest Maturity test
Die Beschichtung wurde auf ihr Bereifungsverhalten in einer Eiskammer getestet. Dazu wurde zuerst das unbeschichtete Substrat in die Eiskammer gebracht und folgende Parameter eingestellt:
- Luftfeuchtigkeit 88%
Lufttemperatur 1°C
- Humidity 88%
-
Air temperature 1 ° C
Die Kryostattemperatur (-7°C) wurde so gewählt, dass die Substrattemperatur -3,5°C ist, welche sich innerhalb von 1,5 Stunden einstellt. Damit wurde gewährleistet, dass die zu testende Beschichtung eine Temperatur von -2°C innerhalb der Testzeit von 20 Minuten erreicht hat.The cryostat temperature (-7 ° C) was chosen so that the substrate temperature is -3.5 ° C, which occurs within 1.5 hours. This ensured that the coating to be tested reached a temperature of -2 ° C within the test time of 20 minutes.
Nach 1,5 Stunden wurde das Substrat aus der Kammer genommen und die beschichtete Probe getestet. Der Aufenthalt der Probe in der Eiskammer betrug 20 Minuten. Nach Ablauf dieser Zeit erfolgte eine visuelle Dokumentation mittels Kamera. Zudem wurde die Reifschichtdicke mit einem Messkamm vermessen, sowie die Reifadhäsion mittels Scratchtester bestimmt.After 1.5 hours the substrate was removed from the chamber and the coated sample tested. The sample stayed in the ice chamber for 20 minutes. After this time, visual documentation was carried out using a camera. In addition, the frost layer thickness was measured with a measuring comb and the frost adhesion determined using a scratch tester.
Als Ergebnis lässt sich feststellen, dass gegenüber dem unbeschichteten Substrat eine deutliche Verringerung der Reifadhäsion und der Reifdicke zu beobachten war. Während das unbeschichtete Substrat nach dem Test eine Reifdicke von 500 µm aufwies und eine Reifadhäsionsstärke von 2 bis 3 ermittelt mittels des Scratchtesters zeigte, war auf dem erfindungsgemäß beschichteten Substrat eine Reifschicht der Dicke von lediglich 0 bis 175 µm mit einer Reifadhäsionsstärke von 1 nach dem Schratchtest vorhanden. Dies belegt den positiven Effekt der erfindungsgemäßen Beschichtung im Sinne des Verminderns des Anhaftens von Eis.As a result, it can be determined that a clear reduction in the ripening adhesion and the ripening thickness was observed compared to the uncoated substrate. While the uncoated substrate had a frost thickness of 500 μm after the test and showed a frost adhesion strength of 2 to 3 determined by means of the scratch tester, there was a frost layer of only 0 to 175 μm thickness with a frost adhesion strength of 1 after the scratch test on the substrate coated according to the invention available. This demonstrates the positive effect of the coating according to the invention in terms of reducing the adherence of ice.
Beispiel 4Example 4
BewuchschutzeffektAnti-fouling effect
Rezeptur (erfindungsgemäße Lackbeschichtung)Recipe (paint coating according to the invention)
Tabelle 3
Prüfungexam
Es wurden 10 x 10 cm große Trägerplatten beschichtet. Hierzu wurden die Materialien der Rezeptur gemäß Tabelle 3 (erfindungsgemäß) in einem Speedmixer wie in Beispiel 3 eingesetzt für 10 Minuten mit einer Geschwindigkeit von 2.200 U/min in eine Suspension übergeführt. Es folgte unmittelbar danach eine Applikation mittels pneumatischen Spritzens. Nach einer Standzeit von 5 Minuten wurde eine UV-Härtung für 2 Minuten wie unter Beispiel 3 beschrieben durchgeführt. Eine Vergleichsprobe wurde mit der Rezeptur des Referenzsystems (vgl. Tabelle 4) analog beschichtet. Beide Proben wurden vor Norderney (Nordsee) in der Hafenregion ausgelagert. In bestimmten Intervallen wurde die Oberfläche hinsichtlich Bewuchs begutachtet und die bewuchsfreie Oberfläche bestimmt. Als Referenzsystem wurde eine normale Polyurethanbeschichtung (vgl. Tabelle 4) ohne bewuchsschützende Eigenschaften verwendet.Carrier plates measuring 10 × 10 cm were coated. For this purpose, the materials of the formulation according to Table 3 (according to the invention) were converted into a suspension in a speed mixer as used in Example 3 for 10 minutes at a speed of 2,200 rpm. An application by pneumatic spraying followed immediately afterwards. After a standing time of 5 minutes, UV curing for 2 minutes as described in Example 3. A comparative sample was coated analogously with the recipe of the reference system (see Table 4). Both samples were outsourced off Norderney (North Sea) in the port region. At certain intervals, the surface was examined for vegetation and the vegetation-free surface was determined. A normal polyurethane coating (see Table 4) without anti-fouling properties was used as a reference system.
Rezeptur ReferenzsystemRecipe reference system
Tabelle 4
In der
Beispiel 5Example 5
Oberflächenspannungsdifferenz zwischen den Domainen (Inseln/innere Phase) und der äußeren PhaseSurface tension difference between the domains (islands / inner phase) and the outer phase
Materialienmaterials
Äußere PhaseOuter phase
Tabelle 5
Innere Phase (Domainen)Inner phase (domains)
Tabelle 6
(Zu weiteren Informationen zu den Materialien vgl. Beispiel 3)
- Domaine (innere Phase) (Albiflex 712)
- Kontaktwinkel gegen Wasser (Wasserrandwinkel) 100,1° und
- Oberflächenspannung σ: 18,34 mN/m
- Äußere Phase (Ebecryl 1290)
- Kontaktwinkel gegen Wasser (Wasserrandwinkel) 80° und
- Oberflächenspannung σ: 38,80 mN/m
- (Oberflächenspannung und Wasserrandwinkel wurden gemäß Beispiel 2 bzw. Beispiel 1 bestimmt).
- Domaine (inner phase) (Albiflex 712)
- Contact angle against water (water edge angle) 100.1 ° and
- Surface tension σ: 18.34 mN / m
- Outer phase (Ebecryl 1290)
- Contact angle against water (water edge angle) 80 ° and
- Surface tension σ: 38.80 mN / m
- (Surface tension and water contact angle were determined according to Example 2 and Example 1, respectively).
Die Oberflächenspannungsdifferenz im Bereich von Δ 20 mN/m zeigt sehr gute optimale Effektausbildung.The surface tension difference in the range of
Die aus den genannten Materialien hergestellten Schichten sind flexibel und zeigen alle mechanischen Eigenschaften einer Beschichtung für die Anwendung im Außenbereich.The layers made from the materials mentioned are flexible and show all mechanical properties of a coating for outdoor use.
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